Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Để hiểu được toàn bộ mối quan hệ giữa hoạt động não và hành vi, các nhà khoa học cần phải tìm cách để lập bản đồ mối quan hệ này trên tất cả các neuron của toàn bộ bộ não, một việc mà cho đến giờ vẫn là một thử thách khó vượt qua được. Các nhà nghiên cứu tại Viện Picower for Learning and Memory ở MIT đã phát triển một công nghệ có thể ghi lại hoạt động của toàn bộ bộ não với độ chính xác cao trên mô hình Caenorhabditis elegans và phát minh ra một mô hình toán học giúp phiên dịch lại cách mỗi neuron trong loài sâu nhỏ này mã hóa cho hành vi.

Khi áp dụng mô hình này lên từng tế bào não cụ thể, nhóm nghiên cứu đã tạo ra được một bản đồ atlas cách mà phần lớn các tế bào não và các mạch mà chúng tham gia mã hóa cho những hành vi thiết yếu của con vật, như việc di chuyển và cho ăn. Bản đồ này đã vạch ra được “logic” trong cách mà bộ não của con sâu tạo ra những hành vi vừa phức tạp vừa linh hoạt, ngay cả khi hoàn cảnh môi trường của nó thay đổi.

Steven Flavell, phó giáo sư thuộc Khoa Não bộ và Khoa học nhận thức thuộc MIT, đã nói rằng, “Nghiên cứu này cung cấp bản đồ cho biết cách hệ thống thần kinh của một loài vật được sắp xếp để điều khiển hành vi, và cách mà nó phụ thuộc vào những yếu tố như trải nghiệm gần đây và tình trạng hiện tại của con vật”. Flavell là tác giả của bài báo được đăng trên tạp chí Cell của nhóm với tiêu đề “Các biểu hiện về hành vi trên toàn bộ bộ não trải dài trên nhiều khoảng thời gian và trạng thái khác nhau của C. elegans”. Dữ liệu những thứ họ đã phát hiện trên mô hình và bản đồ của nhóm được đăng tải tại WormWideWeb.

Nhóm tác giả viết rằng những thay đổi trong hành vi và trạng thái bên trong của con vật đi kèm với những thay đổi hoạt động ở diện rộng trên toàn bộ bộ não của nó, và trong khi những mạch thần kinh điều khiển những hành vi này được phân bố trên khắp bộ não, cách các tế bào thần kinh mã hóa cho hành vi và cách mà tình trạng cơ thể ảnh hưởng lên quá trình mã hóa này vẫn chưa được hiểu rõ. Họ chỉ ra rằng “Về mặt hành vi, động vật phải thích nghi với môi trường luôn luôn thay đổi”. Tuy nhiên, xét đến số lượng khổng lồ những loại tế bào có thể liên quan đến hình thành hành vi ở động vật có vú và sự phân bố rộng rãi của chúng trong não bộ, vẫn chưa thể kiểm soát được việc mô tả đặc điểm của toàn bộ hệ thống này. “… việc ghi lại hoạt động trên toàn bộ bộ não của một con vật đang di chuyển tự do và việc liên hệ hoạt động này đến thông tin hành vi toàn diện là một thử thách. Vì vậy, cách các neuron và mạch trên toàn bộ hệ thống thần kinh thể hiện hành vi đa dạng của động vật và cách mà chúng thay đổi linh hoạt dựa trên bối cảnh hoặc trạng thái vẫn chưa được biết rõ.”

Trái ngược với sự phức tạp ở động vật có vú, C. elegans có thể đại diện cho một hệ mô hình cho phép những nhà nghiên cứu tìm hiểu sâu thêm về mối quan hệ này. Hệ thống thần kinh của C. elegans chỉ bao gồm 302 neuron với khả năng kết nối đã được biết rõ. Con vật thể hiện một loạt những chức năng hoạt động được xác định rõ ràng từ khả năng vận động, đến việc kiếm ăn, dao động của đầu, đại tiện, đẻ trứng và thay đổi tư thế. Các nhà nghiên cứu cho biết C. elegans cũng sẽ biểu hiện những hành vi khác nhau khi chúng thay đổi trạng thái. Ví dụ như sau khi trải qua căng thẳng dữ dội, loài vật bước vào trạng thái tương tự như khi ngủ; trong khi đó ở trạng thái thức giấc, chúng sẽ biểu hiện hành động kiếm ăn, và những kích thích gây khó chịu sẽ kích hoạt tình trạng hưng phấn cao độ kéo dài. Đội ngũ nghiên cứu cho rằng “Việc giải mã cách mà các hành vi được quy định trên toàn bộ hệ thống thần kinh và cách mà chúng có thể chuyển đổi linh hoạt giữa các trạng thái hành vi có khả năng thực hiện được trên C. elegans.” Kết quả của những nghiên cứu trước đó, bao gồm cả ghi chép não bộ của những con vật không di chuyển, đã cho thấy rằng nhiều neuron của loài sâu này mang theo thông tin về hành vi, nhưng nhóm nghiên cứu cũng đã nói rằng “Chúng ta vẫn còn chưa hiểu được cách mà các đặc điểm hành vi được mã hóa trên phần lớn các tế bào thần kinh của C. elegans”.

Để chuẩn bị cho việc phát triển mô hình của họ, phòng thí nghiệm của Flavell đã tạo ra một loại kính hiển vi mới có thể tự động theo dõi tất cả hoạt động của con sâu – sự di chuyển, cho ăn, ngủ, đẻ trứng… – và hoạt động của mỗi tế bào thần kinh trong đầu của nó, sử dụng một hệ thống huỳnh quang mà các tế bào được thiết kế để sẽ phát sáng khi có sự tích tụ của ion calcium. Nhóm nghiên cứu cho biết, “Chúng tôi đã xây dựng một vi hệ thống để ghi lại hình ảnh lượng calcium trên toàn bộ bộ não trong những loài vật đang di chuyển tự do và cũng đã viết một phần mềm tự động xử lý những ghi chú này”.
Việc phân biệt và theo dõi các tế bào thần kinh riêng lẻ khi con vật di chuyển hoặc gập người cũng yêu cầu cần có phần mềm tùy chỉnh, sử dụng các công cụ mới nhất từ việc học máy. “Chúng tôi cũng đã viết phần mềm trích xuất các biến số hành vi từ hình ảnh trường sáng: vận tốc, tư thế cơ thể, cho ăn (hoặc bơm ở hầu họng), vận tốc góc và độ cong của đầu (uốn cong đầu, liên quan đến việc chuyển hướng).”

Nhóm nghiên cứu đã xác nhận rằng hệ thống này có thể lấy mẫu hoạt động của từng tế bào thần kinh với độ chính xác lên đến 99,7%, với lượng tín hiệu nhiễu được cải thiện đáng kể so với các hệ thống trước đó. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng hệ thống này để ghi lại hành vi và dữ liệu thần kinh đồng thời từ hơn 60 con sâu khi chúng di chuyển tự do trong môi trường.

Phân tích dữ liệu cho thấy ba phát hiện mới về hoạt động thần kinh ở sâu: tế bào thần kinh theo dõi hành vi không chỉ ở thời điểm hiện tại mà còn cả ở quá khứ gần; các tế bào thần kinh cũng điều chỉnh mã hóa các hành vi của chúng, chẳng hạn như chuyển động, dựa trên nhiều yếu tố; và nhiều tế bào thần kinh đồng thời mã hóa cho nhiều hành vi.

Ví dụ, trong khi hành vi bò quanh đĩa thí nghiệm có vẻ như là một hành động rất đơn giản, thì các tế bào thần kinh điều khiển các yếu tố như tốc độ, sự chuyển hướng và việc liệu con sâu có ăn hay không. Trong một số trường hợp, chúng còn thể hiện chuyển động của con vật kéo dài trong thời gian khoảng một phút. Nhóm nghiên cứu cho biết: “Hầu hết các tế bào thần kinh mã hóa cho hành vi hiện tại, nhưng một tập hợp khá lớn cũng ảnh hưởng đến hành vi trong quá khứ”. Bằng cách mã hóa chuyển động trong quá khứ gần, thay vì chỉ chuyển động hiện tại, những tế bào thần kinh này sau đó có thể giúp con sâu tính toán xem các hành động trong quá khứ của nó ảnh hưởng như thế nào đến kết quả hiện tại. Nhiều tế bào thần kinh cũng kết hợp thông tin hành vi để thực hiện các thao tác phức tạp hơn. Giống như việc người lái xe nhớ phải lái theo hướng ngược lại khi cần đi lùi, một số tế bào thần kinh trong não của con sâu đã tích hợp hướng chuyển động và cách đổi hướng của con vật.

Bằng việc phân tích cẩn thận các mô hình cách mà hoạt động thần kinh tương quan với hành vi, các nhà khoa học đã phát triển “Mô hình xác suất mã hóa thần kinh C. elegans” (CePNEM). Mô hình này, được gói gọn trong một phương trình duy nhất, giải thích cách mỗi neuron đại diện cho các yếu tố khác nhau để dự đoán chính xác liệu hoạt động thần kinh có phản ánh hành vi hay không và phản ánh như thế nào. Nhóm nghiên cứu giải thích thêm: “… chúng tôi đã xây dựng một mô hình mã hóa sử dụng các đặc điểm hành vi để dự đoán hoạt động của từng tế bào thần kinh”. “Mô hình này cung cấp một lời giải thích về cách mà hoạt động của mỗi tế bào thần kinh có liên quan đến hành vi… Ngược lại với các phân tích giải mã – cho thấy sự hiện diện của thông tin hành vi trong các nhóm tế bào thần kinh, một mô hình mã hóa có thể cung cấp thông tin chính xác về cách mà hoạt động của mỗi tế bào thần kinh liên quan đến hành vi.”

Để điều chỉnh mô hình, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp mô hình xác suất. Nó cho họ biết mức độ chắc chắn đối với từng tham số mô hình phù hợp. Phương pháp này được tiên phong sử dụng bởi Tiến sĩ Vikash Mansinghka, người đứng đầu Dự án Máy tính Xác suất của MIT.

Khi tạo ra một mô hình có thể định lượng và dự đoán cách thức bất kỳ tế bào não nào thể hiện hành vi, ban đầu, nhóm nghiên cứu đã thu thập dữ liệu từ các tế bào thần kinh mà không ghi lại đó là loại tế bào nào. Nhưng mục tiêu chính của việc nghiên cứu loài sâu là để hiểu được mỗi tế bào và mạch góp phần như thế nào vào biểu hiện hành vi. Vì vậy, để áp dụng mô hình lên từng tế bào thần kinh cụ thể mà đã được lập bản đồ trước đó của con sâu, bước tiếp theo của nhóm là liên hệ hoạt động và hành vi thần kinh của từng tế bào trên bản đồ. Để làm được điều đó đòi hỏi phải gán cho mỗi neuron một màu sắc duy nhất để có thể liên hệ hoạt động của nó với danh tính. Nhóm nghiên cứu đã thực hiện điều này trên hàng chục loài động vật di chuyển tự do khác nhau, từ đó thu được thông tin về việc gần như tất cả các tế bào thần kinh được xác định trong đầu của con sâu đều có liên quan đến hành vi như thế nào.

Họ phát hiện ra rằng 58,6% tế bào thần kinh trong đầu con sâu mã hóa cho ít nhất một hành vi, “… với khoảng một phần ba trong số này mã hóa liên tục nhiều hành vi.”

Tập bản đồ thu được từ công trình này đã tiết lộ nhiều phát hiện mới, vẽ ra đầy đủ các mạch thần kinh điều khiển từng hành vi của động vật. Một kết quả quan trọng khác trong công việc của nhóm là phát hiện ra rằng trong khi hầu hết các tế bào thần kinh luôn tuân theo dự đoán của mô hình, thì một tập hợp nhỏ các tế bào thần kinh trong não C. elegans — khoảng 30% trong số đó mã hóa hành vi — có thể linh hoạt sắp xếp lại quá trình mã hóa hành vi của chúng, đảm nhận các công việc mới. Các tế bào thần kinh trong nhóm này đều giống nhau dù thuộc các loài động vật khác nhau và được kết nối với nhau trong sơ đồ hệ thần kinh của sâu. Các tác giả lưu ý: “Trong các điều kiện môi trường được nghiên cứu, chúng tôi quan sát thấy 30% hệ thần kinh của sâu có thể tái cấu trúc một cách linh hoạt”. “Các tế bào thần kinh đã thay đổi cách mã hóa theo nhiều cách khác nhau: một số thay đổi hành vi mà chúng mã hóa; những cái khác cho thấy lợi ích hoặc tổn thất của việc mã hóa hành vi; và những cái khác nữa cho thấy những thay đổi tinh tế trong quá trình điều chỉnh… Điều này cho thấy rằng một số tế bào thần kinh của C. elegans được kết hợp với các mạch hành vi và theo thời gian chúng sẽ thay đổi cách kết hợp với các mạch.”

Về mặt lý thuyết, những sự kiện này có thể xảy ra vì bất kỳ lý do nào, do đó nhóm nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm sâu hơn để xem liệu họ có thể khiến tế bào thần kinh thay đổi cách kết hợp hay không. Khi những con sâu di chuyển quanh đĩa thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng tia laser để nhanh chóng làm nóng phần thạch quanh đầu con sâu. Sức nóng này tuy vô hại nhưng đủ để làm con sâu khó chịu trong một thời gian, gây ra sự thay đổi trạng thái hành vi của con vật kéo dài trong vài phút. Từ những ghi chép này, nhóm nghiên cứu có thể thấy rằng nhiều tế bào thần kinh đã thay đổi cách mã hóa hành vi của chúng ngay khi động vật chuyển đổi trạng thái. Điều thú vị là, một số tế bào thần kinh biểu hiện phản ứng nhất thời với kích thích liên quan đến nhiệt độ, một số khác biểu hiện phản ứng kéo dài vài phút, trong khi một số khác nữa sau khi bị kích thích đã thể hiện những thay đổi liên tục trong hoạt động kéo dài suốt thời gian còn lại của thí nghiệm. Các nhà khoa học cho biết thêm: “Ở các loài động vật khác nhau, những tế bào thần kinh thay đổi mã hóa lại giống nhau, đặc biệt là các tế bào thần kinh liên quan đến việc ăn uống, đây là hành vi bị biến đổi mạnh mẽ nhất bởi kích thích nhiệt”. “Nhìn chung, những kết quả này cho thấy những thay đổi trong trạng thái hành vi sẽ đi kèm với thay đổi hoạt động và điều chỉnh cách mà hoạt động thần kinh được kết hợp với chức năng của hành vi.”
 
Các tác giả kết luận: “Thông tin hành vi được thể hiện phong phú trên não dưới nhiều hình thức khác nhau – với khả năng điều chỉnh, khoảng thời gian và mức độ linh hoạt riêng biệt – biểu hiện trên các lớp tế bào thần kinh đã xác định của C. elegans”. “Kết quả của chúng tôi cung cấp một bản đồ toàn diện về cách các loại tế bào trên não động vật mã hóa hành vi của nó.”
 
PGS. Flavell cho biết những phát hiện mới này giúp chúng ta hiểu biết toàn diện hơn về cách kiểm soát những hành vi này. “Nó giúp chúng tôi hoàn thiện mô hình các mạch thần kinh” Ông nói cho biết thêm: “Chúng tôi hy vọng rằng khi các đồng nghiệp nghiên cứu về những khía cạnh khác của chức năng mạch thần kinh, họ có thể tham khảo tập bản đồ này để có được cái nhìn đầy đủ về các tế bào thần kinh quan trọng có liên quan.”
 
Nguồn: https://www.genengnews.com/topics/translational-medicine/relationship-between-brain-activity-and-behavior-mapped-at-level-of-every-c-elegans-neuron/